이 연구는 자외선 경화 가능한 수지 안정화를 사용하여 임플란트-조직 인터페이스의 무결성을 유지하면서 항원 접근성을 유지하는 냉동절부 프로토콜을 제시하여, 합성 폴리머 임플란트의 신뢰할 수 있고 고해상도 면역형광 분석을 가능하게 합니다.
방법 논문
* These authors contributed equally
이 연구는 자외선 경화 가능한 수지 안정화를 사용하여 임플란트-조직 인터페이스의 무결성을 유지하면서 항원 접근성을 유지하는 냉동절부 프로토콜을 제시하여, 합성 폴리머 임플란트의 신뢰할 수 있고 고해상도 면역형광 분석을 가능하게 합니다.
합성 생체 적합성 임플란트의 조직학적 평가는 기존 조직 처리 방법과 이들 재료의 물리화학적 특성 간의 부적합성 때문에 상당한 기술적 도전을 제기합니다. 현재 완전한 수지 임베딩을 사용하는 접근법은 구조적 보존을 충분히 제공하지만, 에피토프 접근성을 심각하게 저해하여 숙주 면역 반응 특성화에 필수적인 면역조직화학적 응용을 제한합니다. 반면, 기존 파라핀 임베딩은 합성 기판에 대한 접착력이 떨어져 포괄적인 면역학적 프로파일링을 위한 항체 선택을 제한합니다. 표준 냉동절개 프로토콜은 항원 보존을 개선하여 면역조직화학적 적합성을 향상시키며; 그러나 이러한 방법들은 임플란트 내 표본의 구조적 완전성이 부족해 형태학적 평가와 절절 품질을 저해하는 경우가 많습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 냉동절부 전에 임플란트 조직 구조물을 선택적으로 안정화하기 위해 UV 경화 가능 수지를 포함하는 새로운 처리 프로토콜이 개발되었습니다. 이 방법론은 광중합 가능 수지를 사용하여 기계적 지지를 제공하면서도 에피토프 접근성과 항원 결정인을 보존하는데, 이는 일반적으로 완전한 수지 중합으로 인해 손상되는 부분입니다. 이 프로토콜은 면역형광 평가를 위한 최적의 두께의 고품질 절편을 재현 가능하게 하며, 기존 수지 내장된 시료에서 항체 침투를 제한하는 광범위한 가교 결합 없이 표준 냉동 절편보다 우수한 구조적 보존성을 달성합니다. 이 접근법은 합성 임플란트의 조직학적 처리에 있어 실용적이고 비용 효율적인 해결책으로, 생체적합성 평가를 위한 분석 능력을 향상시키고 임플란트-조직 접면에서 국소 면역 반응의 상세한 특성화를 가능하게 합니다.
면역형광 현미경은 재생의학 연구에서 필수적인 분석 기법으로, 형광포체 결합 항체를 이용해 조직 구조와 세포 구성을 시각화할 수 있게 합니다. 이 방법론은 면역화학 인식의 분자 특이성과 형광 검출의 민감도와 다재다능함을 통합하여, 조직 미세환경 내 세포 표적 분포를 상세히 관찰할 수 있게 합니다. 면역형광 접근법은 직접 표지와 간접 표지 전략을 모두 포함하며, 간접 면역형광 프로토콜은 가시광선 및 근적외선 스펙트럼에 걸쳐 다양한 형광체에 결합된 2차 항체 시스템을 통해 신호 증폭을 강화합니다. 이 방법론은 스펙트럼 분리를 통한 동시에 다중 표적 검출이 가능한 내재적 능력은 복잡한 조직 미세환경 내에서 이질적인 세포 집단과 그 공간적 관계의 포괄적인 표현형 특성화를 용이하게 합니다2.
면역형광 현미경의 기술적 역량은 기존의 단백질 위치 측정을 넘어 형광 강도 측정, 공위치 분석, 세포 기능과조직 조직 이해에 필수적인 공간 분포 평가 등 정량적 분석 응용 분야까지 포함합니다. 임플란트 생체적합성 연구 맥락에서 면역형광 분석은 이물질 반응, 염증 연쇄 반응, 조직 통합 과정 등 숙주 면역 반응에 대한 중요한 통찰을 제공하며, 이는 이식의 수용 또는 거부 반응을 세포 및 분자 수준에서 결정합니다.
면역형광 프로토콜의 성공적인 구현은 형광 신호를 유지하고 배경 자가형광을 최소화하면서 형태학적 완전성을 유지하는 조직 처리 방법론을 신중히 고려해야 합니다. 전통적인 임베딩 배지 선택은 조직 유형, 후속 분석 요구사항, 그리고 관심 있는 특정 항원에 따라 달라집니다. 합성 재료 및 임플란트의 경우, 현재 문헌은 절개 절차 중 구조적 안정성을 유지하기 위해 완전한 수지 삽입을 주로 권장합니다. 그러나 이 접근법은 중합된 수지 블록을 절단하는 데 특수 울트라미세토미와 블레이드가 필요하다는 점에서 상당한 한계를 가지고 있으며, 이는 상당한 장비 투자와 기술 전문성을 요구합니다. 파라핀 임베딩은 절절에 적절한 구조적 지지를 제공하면서도, 광범위한 탈수, 화학적 경화, 유기 용매 침투를 통해 고정 및 가공 과정에서 항원 결정인체의 구조 변화를 초래하여 단백질을 변성시키고 에피토프를 가릴 수 있습니다. 파라핀 처리는 또한 신호 검출과 정량적 분석을 저해하는 고유한 자가형광 간섭을 발생시킵니다. 이러한 변화는 항체 접근성을 회복하기 위해 일반적으로 열 유발 에피토프 추출(HIER) 또는 단백질분해 유도 에피토프 추출(PIER) 등의 항원 회수 절차를 필요로합니다. 이러한 개입에도 불구하고, 시판적으로 시행되는 많은 항체는 파라핀 함침 표본과 호환되지 않으며, 가혹한 채취 조건은 형광 신호 품질을 더욱 저하시키고 광표백 인공물을 유발할 수 있습니다.
냉동절부는 면역형광 응용을 위한 대체 처리 방법론을 제공합니다. 조직 준비에는 두 가지 냉동 보존 방법이 사용될 수 있습니다. 첫 번째 방법은 액체 질소로 미리 냉각된 이소펜탄 욕조에 신선한 조직 표본을 직접 담가 -20 °C 이하의 온도를 달성하는 신속 냉동 보존을 한 후, 온도 조절 절단실이 장착된 냉동 절단기를 이용해 절편 절단하는 것입니다. 두 번째 프로토콜은 파라포름알데히드(PFA) 또는 포르말린에 짧은 고정 기간을 거친 후, 점진적으로 자당 침투를 통한 냉동 보호를 거쳐 냉동합니다. 냉동 보존 과정은 조직의 완전성을 유지하면서 항체 인식에 필수적인 천연 단백질 구조를 보존하는 견고한 매트릭스를 만듭니다. 냉동 절절은 최소한의 화학적 변형으로 조직을 거의 원래 상태로 유지하여 엄격한 항원 회취 절차의 필요성을 줄이고, 에피토프 마스킹이나 변성으로 인해 파라핀 침입 조직과 호환되지 않는 1차 항체를 포함한 더 넓은 범위의 1차 항체를 사용할 수 있게합니다.
냉동절부 공정은 일반적으로 최적 절단 온도(OCT) 화합물을 사용하며, 이는 폴리비닐 알코올과 폴리에틸렌 글리콜로 구성된 수용성 임베딩 매체로, 절개 시 구조적 지지를 제공하면서도 투명성을 유지하고 형광 검출 시스템과 호환됩니다. OCT 임베딩은 특정 분석 요구사항과조직 특성에 따라 두께 5–15 μm 사이의 얇고 균일한 절편 생성을 용이하게 합니다. 동결 절편에서 천연 단백질 구조를 보존하는 것은 정량적 면역형광 분석에 필수적인 최적의 신호-잡음비를 유지하면서도, 파라핀 임베드 조직과 호환되지 않는 다양한 1차 항체를 사용할 수 있도록 에피토프를 온전하게 유지합니다8.
그러나 냉동 조직 절절은 특히 천연 생물 조직과 다른 물리화학적 특성을 가진 합성 임플란트 재료를 처리할 때 독특한 기술적 도전을 제기합니다. 동결 중 합성 고분자와 생물학적 조직 경계면 간의 차등 열팽창은 국소적인 기계적 응력을 초래하여 구조적 완전성을 저해하고 단면 가공 인공물을 만들 수 있습니다10. 더불어, 많은 합성 재료가 냉동 생물 조직에 비해 본질적으로 강성하기 때문에 단면 절단 시 칼날 편향이 발생해 단면 두께가 고르지 않게 되고 시료와 절단 장비 모두에 손상이 발생할 수 있습니다. 이러한 기술적 한계는 임플란트 포함 표본의 고유한 요구를 충족하면서도 면역형광 응용을 위한 냉동 절편의 장점을 유지할 수 있는 전문 처리 프로토콜을 필요로 합니다.
이러한 한계를 해결하기 위해 본 연구는 선택적 UV 경화 가능 수지 안정화와 제어된 냉동체의 절편 파라미터를 결합하여 고해상도 다중 매개변수 면역형광 분석을 가능하게 하는 냉동절부 프로토콜을 개발했습니다.
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이 연구는 메이요 클리닉 기관 동물 관리 및 이용 위원회(IACUC)의 승인 번호 A00003765-18-24에 따라 수행되었습니다. 합성 생체 적합성 임플란트를 포함한 모든 시술은 적절한 생물안전 프로토콜에 따라 멸균 조건에서 진행되었습니다.
1. 시료 처리 및 냉동 보호
참고: 포르말린은 화학 훈기 후드에서만 다루고 적절한 개인 보호 장비(PPE)를 착용하세요. 포름말린에는 강력한 자극제, 감작제, 발암물질인 포름알데히드가 포함되어 있습니다.
2. 냉동 저장기 설치 및 초기 절면 절단
3. UV 경화 수지 적용
참고: 자외선 경화 수지는 적절한 개인 보호 장비를 착용한 채 환기가 잘 되는 곳에서 다루고, LED-UV 경화광으로부터 눈과 피부를 보호하세요. 이 수지들은 피부와 눈 반응을 일으킬 수 있는 자극제를 포함하고 있으며, LED-UV 노출은 자외선에 의한 눈 손상을 초래할 수 있습니다.
4. 단면 회수 및 슬라이드 준비
5. 보관 및 보존
6. 면역형광 염색 프로토콜
참고: 펩신은 피부와 호흡기 자극물질이므로 적절한 개인 보호 장비(PPE)를 착용하여 다루시기 바랍니다.
7. 형광 현미경 및 영상 획득
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섹션 품질 평가 및 최적화
UV-수지 안정화 및 8 μm 두께의 절단 작업 후, 접착 슬라이드에 절단을 수집하고 품질 관리를 평가합니다. 고품질 절편은 뚜렷한 균열이나 균열 인위물 없이 형태가 온전하며, 조직 구조가 연속적이고 임플란트-조직 경계가 보존되어 있습니다(그림 2A). 수지 안정화 임플란트 표면에서 균열이나 조직 분리 등 상당한 구조적 손상이 있는 절편은 추가 분석에서 제외됩니다(그림 2B). 특히, UV 경화 수지 도포는 OCT 블록에 영향을 주지 않았으며, 블록 전체 깊이 전반에 걸쳐 균일한 두께의 연속 단면이 신뢰성 있게 확보되어 수지 침투와 자외선 경화가 절단 품질에 부정적인 영향을 미치지 않았음을 나타냅니다. 이후 면역형광 염색 프로토콜을 위한 품질 기준을 충족하는 절절을 유지합니다.
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이 UV 경화 가능한 수지 안정화 방법은 표준 냉동 절편 기술로는 처리하기 어려운 합성 물질을 포함한 OCT 내장된 조직 시료를 냉동절부하는 대안적 접근법을 제공합니다. 전하 슬라이드, 조직 접착 테이프, 기타 부착식 지지재 등 다양한 접착 옵션이 있어 조직 절편이나 연약한 샘플이 취급 중 떨어지는 것을 방지할 수 있지만, 이들 제품은 슬라이드 접착을 제공하며 절단 시 임플란트-조직 접점에서 필요한 기계적 보강을 제공하지 않습니다. 더욱이, 현재 생물 시료에 얇고 균일하게 적용하여 냉동 절제 중 구조적 안정성을 높이기 위해 설계된 스프레딩 가능한 자외선 경화 수지는 존재하지 않습니다. 이 맥락에서 여기서 제시된 UV 경화 가능 수지 프로토콜은 동결 처리가 필요한 항체의 에피토프 접근성을 유지하면서 표적 기계적 지지를 제공함으로써 방법론적 공백을 메워 합성 고분자 성분이 포함된 시료의 신뢰성 있는 절획을 가능하게 합니다11.
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저자들은 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.
이 출판물에 보고된 연구는 국립보건원(NIH) 산하 국립청각장애 및 기타 커뮤니케이션 연구소의 지원을 받았으며, 수상 번호는 R01DC019114.
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